Заведующий лабораторией: ведущий научный сотрудник, к.ф.-м.н. Ахметов Альфир Тимирзянович

Сотрудники лаборатории

Рахимов Артур Ашотович, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник

Валиев Азат Ахматович, младший научный сотрудник

Гизатуллин Ренат Фаргатович, инженер-исследователь

Направления исследований

Гидродинамика дисперсных сред в микрожидкостных устройствах

В лаборатории проводятся экспериментальные исследования течения дисперсных систем (прямые и обратные эмульсии, суспензии, газовые эмульсии, биологические дисперсии: эритроциты, раковые клетки, моноциты), нефтей, полимерных растворов, газожидкостных смесей в различных типах микрофлюидных устройств. Пористая структура, отображающая срез реального керна, изготовлялась фотолитографическим методом на основе фотошаблонов аншлифа керна Самотлорского месторождения. Фотолитографический метод обычно используется при изготовлении микросхем, физические модели, полученные таким образом, в мировой практике принято называть микромоделями. Наша модель отличается от общепринятых своей разборностью, которая достигнута за счет использования интерференционных пластин с высокой плоскостностью, сажаемых на оптический контакт. Рабочий участок в микромодели и в ячейке Хеле-Шоу составляет площадку размером 4х2 см, а глубина каналов 15 мкм.

Разборная плоская микромодель пористой структуры. а) стеклянная пластина с каналами, б) вторая пластина с входным и выходными отверстиями, в) посадка пластин на оптический контакт, г) модель в сборе, виден фронт закачиваемой воды, на границе с воздухом.

В лаборатории изготавливаются каналы переменного сечения и сложные капиллярные структуры, для визуализации гидродинамических процессов. Обнаружен удивительный эффект динамического запирания, состоящий в том, что течение обратных водоуглеводородных эмульсий и крови (плазмы с эритроцитами), организованное за счет перепада давления в капиллярных структурах со временем останавливается, несмотря на постоянно действующий перепад давления. В качестве объектов исследования выступали обратные высококонцентрированные водоуглеводородные эмульсии как стабилизированные искусственным эмульгатором (стабилизированные), так и без него (нестабилизированные). Размер микрокапель во всех случаях намного меньше размера капиллярных каналов. Реологические характеристики измеряются на ротационном вискозиметре с системой конус-пластина, или двойной конус-пластина. В лаборатории имеется установка, позволяющая визуализировать изменение дисперсных сред при измерении вязкости.

Измерения проводились с обратными водонефтяными эмульсиями (микрокапли воды в нефти), слева - эмульсия с искусственным эмульгатором, справа - эмульсия без искусственного эмульгатора. При измерении конус вращается относительно неподвижной пластины, от очень малых скоростей до существенных. На кадре справа видно, что при измерении вязкости может происходить разрушение эмульсии. Зависимость касательного напряжения от скорости деформации сдвига соответствует степенной модели Оствальда-де Вааля (1 – прямой ход (измерение при возрастании скорости деформации сдвига), 2 – обратный ход) и визуализация изменения структуры эмульсии в измеряемом объеме между конусом и пластиной. Параметры аппроксимационной зависимости стабилизированная эмульсия (слева): к=0,115, n=1,02 (прямой ход), к=1,53, n=0,668 (обратный ход), нестабилизированная эмульсия: к=2,42, n=0,664 (прямой ход), к=0,45, n=0,83 (обратный ход). Анализ прямого и обратного хода кривых течения обнаруживает, что приведенные эмульсии противоположны по реологических характеристикам: одна обладает свойством реопектика, другая – тиксотропной среды.

При нагнетании в ячейку Хеле-Шоу обоих типов эмульсий со временем по данным весов течение прекращается. Нестабилизированная эмульсия обладает малой динамической стабильностью, в ней во время течения в трещине происходит активная коалесценция микрокапель воды, в результате – выделяется водная фаза. Структура потока со временем преображается, выделившаяся водная фаза принимает нитевидные формы, тем не менее течение замирает. В случае течения стабилизированной эмульсии выделение водной фазы незначительно, структура потока прорисовывается за счёт микроскопического перераспределения несущей фазы можно заметить трубки тока, характеризующие ламинарность течения, после истечения 20 минут начинается хаотизация структуры. Далее формируются эквипотенциальные линии, течение останавливается. Удивительно, что как тиксотропная, так и реопектическая среды проявляют эффект динамического запирания.

	Зависимость объема нестабилизированной эмульсии, протекающей через ячейку Хеле-Шоу (размер 4х2 см, зазор 35 мкм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени.
	Зависимость объема стабилизированной эмульсии, протекающей через ячейку Хеле-Шоу (размер 4х2 см, зазор 35 мкм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени.

Изучение ячейки Хеле-Шоу со стабилизированной эмульсией в состоянии «запирания» под микроскопом обнаружило небольшой микропоток у выходного отверстия (на четыре порядка ниже исходного), чем отчасти обусловлено название «эффект динамического запирания». В случае нестабилизированной эмульсии микропотоки обнаружить не удалось. При радиально расширяющемся течении в трещине, также обнаруживается эффект динамического запирания. Как и в плоском случае происходит переход от образующихся трубок тока к хаотизации течения и образования эквипотенциалей, течение замирает, по данным весов наступает запирание.

Зависимость объема стабилизированной эмульсии, протекающей через радиальную ячейку Хеле-Шоу (R=30 мм) при постоянном перепаде давления ∆P=200 кПа, от времени. Для наглядности приведены видеоизображения образующейся структуры в различные моменты времени.

При нагнетании эмульсии в микромодель возникает огромное гидравлическое сопротивление и по мере прохождения ее в капиллярной структуре происходит некоторое расслоение фаз. Часть дисперсионной (несущей) фазы – нефть, обладающая вязкостью существенно меньшей вязкости эмульсий, как бы выдавливается из нее и выходит вперед (рис. 7, слева). В эмульсии, протекающей по каналах капиллярной структуры, происходит коалесценция микрокапель воды, выделяется водная фаза, которая течет по каналам со скоростью существенно превышающей скорость эмульсии, при этом образовавшиеся представительные капли водной фазы продолжают сливаться друг с другом (рис. 7, справа). Аналогичная картина течения наблюдается в отдельном капилляре, но после наступления запирания. Сквозь структуру, образовавшуюся из микрокапель эмульсии у входа в капилляр происходит фильтрация нефтяной фазы. И в тоже время при больших градиентах давления, в результате микродвижений у входа в капилляр происходит коалесценция микрокапель воды. Образовавшаяся из них представительная капля водной фазы, как и в случае капиллярной структуры, движется со скоростью существенно превышающей скорость эмульсии и продавливает ее перед собой в капилляр, где они выстраиваются в виде структуры, приведенной на рис. 7. и движутся все практически с одинаковой скоростью.

Движение эмульсии в капиллярной структуре микромодели (сверху, движение сверху вниз) и отдельном капилляре (снизу). Цифрами обозначены: 1 – эмульсия, 2 – вода, 3 – нефть.

Эффект «запирания» был обнаружен при различных перепадах давления менее 1 атмосферы. Отличительной особенностью течения крови является то, что стадия «запирания» после достаточно продолжительного времени – десятки минут может самопроизвольно (без изменения перепада давления) смениться стадией течения с постоянным расходом, которая вновь завершается некоторым временным «запиранием». При использовании концентрированной крови стадия запирания становится более четко выраженной, продолжительное запирание наблюдается при меньших давлениях, но в то же время и в данном случае запирание носит временный характер, т.е. течение через некоторое время может самопроизвольно открываться. Обнаруженный эффект «запирания» крови в каналах может найти применение при построении новых моделей возникновения инфаркта и инсульта в кровеносно-сосудистой системе живых организмов. Эффект динамического запирания кроме примеров приведенных выше обнаружен при течении других водоуглеводородных эмульсий (как обратных, так и прямых) и в сложных трехмерных капиллярных структурах (кернах). Различные механические воздействия, действие мощных ультразвуковых полей на «запертую» систему приводят к кратковременному восстановлению течения дисперсий.

Обнаружены различия скоростей и структуры течения цельной и разбавленной крови. Скорости эритроцитов на оси симметрии модели: в цельной крови после сужения несколько ниже, чем перед ним, в разбавленной наоборот – существенно выше. Скопление параллельных друг другу эритроцитов перпендикулярно линиям тока, после прохождения цельной кровью стеноза, позволяет предположить, что процесс тромбообразования более вероятен в области кровеносного сосуда не до, а после сужения. Знание особенностей течения в микроканалах со стенозом позволят заложить основу для разработки новой методики диагностики и лечения сосудистых заболеваний.

 

Распространения ударных волн в гетерогенных средах

При исследовании ударно-волновых течениях с помощью ударной трубы был обнаружен эффект аномального усиления ударных волн в вязко-упругих и высоковязких средах. Получена интерпретация обнаруженного эффекта, которая основана на экспериментально установленном факте накопления пузырьков газа в верхнем слое флюида в камере низкого давления при многократном волновом нагружении. Обнаружен эффект ускоренного освобождения водных полимерных растворов от свободного газа при ударно-волновой обработке.

Обнаружено, что ударно-волновой импульс малой амплитуды 20-35 кПа, воздействуя на уплотнённую песчаную насыпную среду, изменяет её структуру таким образом, что зондирующий импульс, проходящий по ней непосредственно после (13 мс) основного импульса, кардинально изменяет свою амплитуду и форму. По мере углубления зондирующего импульса в толщу песка, вершина пика зондирующего импульса смещается с заднего фронта к переднему, на эпюрах это выглядит как одномоментное образование пиков на всех глубинах до 10 см. С глубиной амплитуда основного импульса уменьшается, а зондирующего – возрастает, на глубине 80 мм отношение приведенных амплитуд зондирующего импульса к основному достигает максимума (3,5 раза), далее убывает.

 

Международные и российские научные контакты

• Институт проблем механики РАН (Москва)
• Институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва)
• Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (Москва)
• Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва)
• Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (Новосибирск)
• Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск)
• Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск)
• Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (Тюмень)
• Институт химии нефти СО РАН (Томск)
• Уфимский университет науки и технологий (Уфа)
• ООО «Уфимский научно-технический центр» (Уфа)
• Уфимский государственный нефтяной технический университет (Уфа)